李宣　孫奉道　王闊

摘 要：對(duì)混砂車(chē)的攪拌液壓系統(tǒng)和風(fēng)扇冷卻的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在原理和控制方式方面進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了節(jié)能效果，從而為試制提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混砂車(chē)；風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)；螺旋輸砂系統(tǒng)；攪拌系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.090

HSC360型混砂車(chē)主要應(yīng)用于大、中型油氣井煤層氣、石油和頁(yè)巖氣的壓力作業(yè)，并按一定比例混合支撐劑，通過(guò)低壓管匯輸送給壓裂車(chē)，從而開(kāi)展壓裂施工作業(yè)。HSC360混砂車(chē)主要包括裝載底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)、低壓管匯系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和混合罐等。本文對(duì)風(fēng)扇冷卻的液壓系統(tǒng)和攪拌液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期對(duì)其試制和調(diào)試起到一定的指導(dǎo)作用。

1 風(fēng)扇冷卻液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

液壓系統(tǒng)可為混砂車(chē)提供動(dòng)力，主要包括吸入/排出泵系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、螺旋輸砂系統(tǒng)、風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)、綜合泵系統(tǒng)等。風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)采用小流量的定量泵驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作。攪拌系統(tǒng)通過(guò)恒壓變量柱塞泵驅(qū)動(dòng)低速大扭矩馬達(dá)動(dòng)作。該系統(tǒng)設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器，通過(guò)控制比例流量閥，可達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)攪拌馬達(dá)速度的效果。

1.1 原理方面的優(yōu)化

在設(shè)計(jì)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的初期，計(jì)算液壓泵需要的流量小、功率低，主泵選擇定量泵，并采用低速、高速兩種工作模式，混砂車(chē)的兩個(gè)冷卻部分通過(guò)節(jié)溫器控制。但在現(xiàn)場(chǎng)試制時(shí)發(fā)現(xiàn)，在混砂車(chē)長(zhǎng)時(shí)間工作后，風(fēng)扇的阻力會(huì)變大，進(jìn)而使消耗功率增大，且伴隨有巨大的噪聲；在兩種工作模式的切換過(guò)程中，對(duì)液壓馬達(dá)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊過(guò)大，縮短了液壓馬達(dá)和風(fēng)扇的使用壽命。因此，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，采用恒壓泵作為動(dòng)力源，利用比例節(jié)流閥和壓力補(bǔ)償器控制風(fēng)扇馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)化后液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制方式的優(yōu)化

風(fēng)扇冷卻采用自動(dòng)化控制，控制框如圖2所示?；焐败?chē)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)的油溫傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)的油溫傳感器會(huì)發(fā)送訊息至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會(huì)比較、判斷油溫，并輸出相對(duì)應(yīng)的電壓值控制比例流量閥，從而控制冷卻風(fēng)扇馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)傳感器的溫度上升至一定數(shù)值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)加快冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速；當(dāng)傳感器的溫度上升至設(shè)計(jì)下限值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)減慢冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而保持冷熱平衡。

2 攪拌液壓系統(tǒng)的優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析

攪拌系統(tǒng)的液壓泵為恒壓變量泵，其壓力是恒定的，但在不同工作狀態(tài)下，馬達(dá)的負(fù)載是不同的，進(jìn)而造成比例流量閥兩端壓差的變化，影響了控制精度；變量泵始終處于高壓狀態(tài)，這樣不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)縮短液壓泵的使用壽命。

2.1 攪拌液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

通過(guò)上述分析，可進(jìn)行如下優(yōu)化。

2.1.1 將恒壓變量泵換為負(fù)載傳感變量泵

優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。在圖1中，負(fù)載傳感變量泵可按照系統(tǒng)要求控制輸出流量、保持壓力隨負(fù)載而變化，即保證比例節(jié)流閥前、后兩端的壓差恒定，并對(duì)比例節(jié)流閥起到壓力補(bǔ)償?shù)淖饔?，從而提高攪拌系統(tǒng)的控制精度，縮短攪拌液壓泵長(zhǎng)期處于高壓狀態(tài)的時(shí)間，延長(zhǎng)攪拌系統(tǒng)的使用壽命。

2.1.2 采用新的控制方式和用PID校正

優(yōu)化后攪拌液壓系統(tǒng)的控制過(guò)程為：控制系統(tǒng)輸出電流控制信號(hào)給比例流量閥的電磁鐵，從而調(diào)節(jié)比例流量閥的輸出流量、控制攪拌馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在攪拌馬達(dá)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速反饋回系統(tǒng)，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)的模型采用PID，可糾正系統(tǒng)誤差。此外，系統(tǒng)根據(jù)壓裂基液的輸入量、輸砂量來(lái)調(diào)節(jié)控制信號(hào)的輸入。調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)攪拌馬達(dá)轉(zhuǎn)速采樣曲線如圖3所示。

2.2 攪拌液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析

混砂車(chē)安裝完成后，采集了攪拌系統(tǒng)的泵出口壓力和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。攪拌泵出口的壓力值如表1所示（優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。

對(duì)比攪拌系統(tǒng)泵出口的壓力和轉(zhuǎn)速可發(fā)現(xiàn)：①在圖3中，優(yōu)化后的攪拌液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和輸入控制信號(hào)成線性，且優(yōu)化后的PID調(diào)節(jié)和控制可滿足精度要求。②在表1中，優(yōu)化后的攪拌液壓系統(tǒng)的輸入壓力隨負(fù)載而變化。當(dāng)攪拌系統(tǒng)不工作、輕載工作時(shí)，液壓泵處于低壓狀態(tài)，相比于優(yōu)化前的恒壓泵而言，大大降低了損耗和沖擊的程度。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)混砂車(chē)的風(fēng)扇冷卻液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)控制方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)了液壓系統(tǒng)的壽命，并起到了節(jié)能效果；對(duì)混砂車(chē)的攪拌液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化后的方案應(yīng)用到了實(shí)際調(diào)試生產(chǎn)中，起到了一定的參考意義。

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〔編輯：張思楠〕